氫能和燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣的應(yīng)用

賈世澤

北京市燃氣集團有限責任公司第三分公司 北京 101111

前言：根據(jù)當前我國新能源行業(yè)的發(fā)展情況來看，氫能作為可持續(xù)發(fā)展的新能源，具有安全、高效、清潔等特點，是現(xiàn)代社會發(fā)展過程中，最具有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?。根?jù)氫能的發(fā)展形勢來看，優(yōu)勢十分突出。氫能在燃燒過程中，熱值最高能夠達到142.35MJ/kg，燃料性能十分優(yōu)越。此外，氫能在燃燒過程中還具無污染、燃燒速度快等特點。所謂的燃料電池就是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的裝置，在該裝置中能夠有效將化學能轉(zhuǎn)換為電能，進而提高相關(guān)能源的使用效率，此外還裝置還，具有噪音低、污染小、發(fā)電效率高等特點。在當前城市燃氣工程愈發(fā)重要的背景下，將氫能與燃料電池技術(shù)相結(jié)合，有助于城市建設(shè)過程中發(fā)揮城市能源體系的重要作用，打造出高效多元的能源轉(zhuǎn)化方式，構(gòu)建出綜合性的能源系統(tǒng)。

1.氫能技術(shù)的相關(guān)概述

根據(jù)氫能的應(yīng)用特點來看，此類型能源作為一種二次能源，是當前我國眾多清潔能源中的一種，能夠有效連接電力、熱能等能源，促使其實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化。根據(jù)城市燃氣工程的建設(shè)情況來看，燃料電池身為氫能的主要載體，能夠?qū)⒊鞘腥細馀c氫能有效結(jié)合將燃氣以水蒸氣或者其他反應(yīng)的方式，轉(zhuǎn)化為氫能，而后將此類燃料電池有效應(yīng)用于城市建設(shè)當中。

結(jié)合目前氫能的應(yīng)用情況來看，已經(jīng)涉及到了我國各個領(lǐng)域。例如在航空領(lǐng)域中，歐盟開展的CRYOPLANE計劃，便充分的證明了在航空領(lǐng)域，氫能作為燃料的可性能。此外，在軍事領(lǐng)域，氫能還能作為燃料，為車輛、潛艇等設(shè)備提供動力。在我國交通領(lǐng)域，氫燃料車正在不斷研發(fā)與推廣。這些領(lǐng)域?qū)τ跉淠艿膽?yīng)用與發(fā)展在很大程度上說明了氫能能夠作為替代能源進行發(fā)展。

根據(jù)氫能的應(yīng)用情況來看，涉及到多種技術(shù)，包括有氫能的制備、運輸?shù)?，只有將這些技術(shù)實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，才能夠確保氫能實現(xiàn)大范圍的應(yīng)用，促使氫能技術(shù)被有效推廣。由此可見，實現(xiàn)氫能存儲等技術(shù)是當務(wù)之急，在此過程中，燃料電池的出現(xiàn)與發(fā)展將會在很大程度上推動氫能的應(yīng)用。

2.燃料電池技術(shù)的的應(yīng)用

根據(jù)燃料電池技術(shù)的發(fā)展情況來看，氫燃料電池技術(shù)身為氫能的重要載體，能夠?qū)⑵溆行мD(zhuǎn)化為電能與熱能。在燃料電池應(yīng)用過程中，將氫能中存儲的氧化劑、燃料等相關(guān)化學能進行轉(zhuǎn)化，最終得到所需要的電能。具體來看，燃料電池技術(shù)具有下述特點。首先，燃料電池技術(shù)在應(yīng)用過程中擁有較高的能量轉(zhuǎn)化率。從理論角度來看，能量轉(zhuǎn)化率高達90%～100%，結(jié)合實際情況來看，該技術(shù)的能量轉(zhuǎn)化率在40%～60%。其次，使用該技術(shù)時，廢物排放情況接近于零，產(chǎn)物通常為純凈水，并沒有相關(guān)污染物的排放。最后，該技術(shù)在應(yīng)用過程中十分安靜，因為燃料電池在運行過程中主要以化學原理為基礎(chǔ)開展工作，而電池內(nèi)部并沒有相關(guān)運動部件，因此在運行過程中十分安靜。最后，使用該技術(shù)有較高的可靠性，在我國，磷酸燃料電池發(fā)電廠與堿然連電池發(fā)電廠的出現(xiàn)，充分說明了燃料電池的運行可靠性。

根據(jù)燃料電池的應(yīng)用特點來看，電解質(zhì)種類的不同，燃料電池類型也有所不同，通常情況下，燃料電池可以分為五類，下表為五種燃料電池的對比情況。

表1 ：五種燃料電池對比表

3.氫能和燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣的應(yīng)用

根據(jù)當前我國各個城市燃氣建設(shè)情況來看，應(yīng)用領(lǐng)域涉及到了城市交通領(lǐng)域、建筑供能領(lǐng)域、可再生能源耦合領(lǐng)域以及分布式發(fā)電領(lǐng)域。筆者結(jié)合自身多年行業(yè)經(jīng)驗，從以下內(nèi)容詳細論述了有關(guān)城市燃氣工程建設(shè)中，燃料電池與氫能技術(shù)的具體應(yīng)用。

3.1 城市建筑供能應(yīng)用

氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣與天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)十分相似，可以將其應(yīng)用于城市建設(shè)當中。根據(jù)燃料電池的運行情況來看，在該系統(tǒng)當中，燃料便是為城市燃氣工程中常見的天然氣與煤氣等，在三聯(lián)供系統(tǒng)當中主要由四部分內(nèi)容構(gòu)成，分別為電子子系統(tǒng)、燃料處理子系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、余熱回收子系統(tǒng)等等，具體工作流程圖如下所示。

圖2 ：固體氫化燃料電池三聯(lián)供示意圖

在該系統(tǒng)中，通過燃料電池中的燃料處理子系統(tǒng)，能夠?qū)⒊鞘腥細馓幚頌闅錃?，隨后將氫氣運輸?shù)饺剂想姵叵到y(tǒng)進行發(fā)電，在此過程中，系統(tǒng)中的電力電子子系統(tǒng)會直接將電池系統(tǒng)中產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，最終應(yīng)用于城市建筑電網(wǎng)當中，為城市建筑提供電能。最后，該系統(tǒng)當中的余熱回收子系統(tǒng)會將燃料電池應(yīng)用過程中產(chǎn)生的預熱進行回收，處理過后應(yīng)用于制冷供暖等。

根據(jù)氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣的應(yīng)用情況來看，國外諸多發(fā)達國家已經(jīng)將該系統(tǒng)實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。例如，德國在應(yīng)用氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣方面有著較強的創(chuàng)新能力。在德國有一個名為solidpower的燃氣公司，該公司身為一個科技創(chuàng)新公司，創(chuàng)造出的M-chp設(shè)備已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，使得德國城市燃氣工程建設(shè)實現(xiàn)了電能、熱能的轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用該產(chǎn)品時，只要輸入2.5KW的燃料，便能夠產(chǎn)生0.6KW熱與1.5KW電，系統(tǒng)運行總效率高達85%。除了德國之外，還有日本地區(qū)，因為地理環(huán)境的關(guān)系，在日本城市燃氣系統(tǒng)主要以分布能源系統(tǒng)為主，結(jié)合目前日本分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用情況來看，已經(jīng)有超過20萬套設(shè)備在運行，可以說是全世界應(yīng)用燃料電池最廣泛的國家之一。根據(jù)日本應(yīng)用分布式能源的實際情況來看，主要構(gòu)成部分為城市燃料電池、儲熱水箱。在系統(tǒng)運行過程中，燃料電池主要應(yīng)用于發(fā)電，系統(tǒng)中的水箱主要應(yīng)用于回收余熱。市場中主要流行東芝、松下等品牌系統(tǒng)。

3.2 分布式發(fā)電的應(yīng)用

根據(jù)城市燃氣的應(yīng)用情況來看，其最主要的功能便是發(fā)電。而燃料電池技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提高發(fā)電效率，并且沒有污染物的排放，此外該技術(shù)還具備安靜等優(yōu)點。當前分布式發(fā)電在我國仍舊還未廣泛應(yīng)用，停留在了商業(yè)應(yīng)用的初期，但是在全世界范圍內(nèi)，韓國、美國、日本等對于燃料電池發(fā)電站的應(yīng)用較為廣泛。當氫能和燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣應(yīng)用于分布式發(fā)電時，可以有效解決當前城市燃氣站的問題，有效解決了燃氣站的電源問題。除此之外，在我國其他行業(yè)，例如電信運營商也開始利用燃料電池電源，將傳統(tǒng)燃油內(nèi)燃機逐漸代替，由此可見，氫能和燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用大有前途。

3.3 氫能和可再生能源耦合應(yīng)用

相較于傳統(tǒng)儲能方式而言，氫能能量的密度較高，因此能源儲備量也在不斷增大，進而通過應(yīng)用氫能和可再生能源耦合，使得城市實現(xiàn)可再生電力供應(yīng)，使得城市電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可控的運行。目前在我國各類型城市發(fā)展過程中，會涉及到大量的燃氣直通用戶管網(wǎng)，因此城市建設(shè)過程中可以充分利用這些設(shè)施，實現(xiàn)電力制氫，隨后再將氫能摻入到天然氣管道當中，最終實現(xiàn)天然氣與可再生能源耦合。

3.4 交通應(yīng)用

車用燃料電池一般都具有環(huán)保性好、啟動快、效率高的特點，根據(jù)目前我國新能源汽車的發(fā)展情況來看，燃料電池是取代汽車內(nèi)燃機最好的方案，是本世紀能源動力汽車的最佳選擇。但是在此過程中要注意的是，燃料電動汽車的發(fā)展離不開氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。燃料電池汽車一般情況下分為乘用車與客車，目前在我國燃料乘用車已經(jīng)在我國實現(xiàn)了商業(yè)化的應(yīng)用。加氫站的建設(shè)也為燃料電池汽車的發(fā)展提供了保障，我國加氫站的建設(shè)較為滯后，各地區(qū)在建設(shè)過程中可以充分結(jié)合一些利用率不高的LNG站進行改造，促使城市燃氣功能實現(xiàn)多樣性。

結(jié)語：綜上所述，結(jié)合當前我國城市建設(shè)情況來看，氫能和燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣的應(yīng)用，能夠有效改善城市環(huán)境，減少污染物的排放，提高能源利用率，促使城市實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)具體應(yīng)用情況來看，在城市交通領(lǐng)域、建筑供能領(lǐng)域、分布式發(fā)電領(lǐng)域都有所涉及。在此過程中要注意的是，各地區(qū)在發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣的應(yīng)用時，還需要大力建設(shè)氫能源的基礎(chǔ)設(shè)施，例如加氫站等，只有這樣才能確保該清潔能源有效應(yīng)用，為城市長久健康的發(fā)展提供保障。